Для чего используется кремний в электронике

Применение кремния в электротехнике

В настоящее время во всём мире производится порядка 15 тыс. тонн кремния ежегодно (Япония, США, Германия). Кремний является основным материалом твёрдотельной электроники. Это базовый материал микроэлектроники, который потребляет 80% полупроводникового кремния. Кремний составляет 70% от всех потребляемых микроэлектроникой материалов. Тем не менее, заметную долю в общем объёме выпуска полупроводниковых изделий составляет кремниевые дискретные приборы – это выпрямительные, импульсные, СВЧ диоды, биполярные, полевые транзисторы. И в отличии от германия, рабочая температура кремния в электронных компонентах лежит в диапазоне от -60 до +200 o C, это сыграло огромную роль в его применении, т.к. большинство современных процессоров работают на температурах до 100 o C. Монокристаллический кремний является основным материалом и для изготовления приборов силовой электроники – это мощные диоды, тиристоры, транзисторы, интегральные схемы. Они применяются при передаче электроэнергии на большие расстояния, в энергоёмких производствах, например, в металлургическом и химическом, в системах электропитания. Кремний широко применяется для производства фоточувствительных приборов, фотодиодов им фототранзисторов, разнообразных сенсорных устройств, прецизионных микромеханических систем. Важную роль кремний играет в быстроразвивающейся солнечной энергетике. Более 90% всех солнечных элементов изготавливаются из кристаллического кремния. Перспективным направлением является кремниевая оптоэлектроника. Здесь прежде всего следует отметить светоизлучающие приборы и фотодетекторы, интегрирование в кремниевую технологию.

Фундаментальными активными элементами являются транзисторы и диоды. Другие полупроводниковые приборы, такие как варикапы, тиристоры и симисторы — это модификации и тех же транзисторов, и диодов. Приборы с одним элементом называются дискретными. Соединив множество полупроводниковых элементов на одном кристалле, получают интегральную схему. Например, процессор и память компьютера являются интегральными схемами, состоящими из сотен миллионов транзисторов.

Заключение.

Несомненно, полупроводники стали неотъемлемой частью современной электроники. 80% всех электронных компонентов содержат полупроводники. Кремний стал незаменимым химическим элементом, благодаря своей распространенности. А современные технологии позволяют добывать и очищать кремний с минимальными затратами, из-за чего он стал еще и очень дешев в производстве. Ни одно современное производство не обходится без микропроцессорных систем управления, без компьютеров, и электроники в целом. Увидев всю важность этого химического элемента, можно без преувеличения сказать, что кремний, жизненно необходим для современного развивающегося мира.

Какова роль кремния в электронике и полупроводниковой промышленности?

Кремний играет важную роль в электронике и полупроводниковой промышленности благодаря своим уникальным свойствам. Вот несколько ключевых аспектов, в которых кремний используется:

1. Полупроводниковые материалы: Кремний является одним из наиболее распространенных полупроводниковых материалов. Он обладает способностью контролировать электрическую проводимость, добавляя примеси (процесс, известный как легирование). Это делает кремниевые полупроводники идеальными для создания транзисторов, диодов и других электронных компонентов, которые являются основой современной электроники.

2. Интегральные схемы: Кремниевые чипы, изготовленные с использованием технологии интегральных схем (Микросхемы), являются основой для многих электронных устройств. Кремниевые полупроводники позволяют создавать маленькие, но мощные и сложные интегральные схемы, которые объединяют транзисторы, резисторы и другие компоненты на одном кристаллическом подложке.

3. Солнечные батареи: Кремний широко используется в производстве солнечных батарей (фотоэлектрических панелей). Он обладает свойством преобразовывать солнечный свет в электрическую энергию благодаря явлению фотоэффекта. Фотоэлементы из кремния являются основой для солнечных батарей, которые используются для получения чистой и возобновляемой энергии.

4. Термоэлектрические материалы: Кремний также применяется в термоэлектрических материалах, которые могут преобразовывать тепловую энергию в электрическую и наоборот. Это имеет практическое применение в устройствах, таких как термоэлектрические генераторы и охладители.

Это лишь некоторые примеры роли кремния в электронике и полупроводниковой промышленности. Кремний продолжает оставаться одним из наиболее важных материалов для создания современных электронных устройств.

Свежие записи

• Какой последовательностью нуклеотидов ДНК кодируется участок белка, если он имеет следующее строение: – аргинин – пролин – лейцин – валин – аргинин.
• Начальный участок цепи А инсулина представлен следующими пятью аминокислотами: – глицин – изолейцин – валин – глутамин – глутамин.
• Первые 10 аминокислот в цепи В инсулина: фенилаланин – валин – аспарагиновая кислота – глутамин – гистидин – лейцин – цистеин – глицин – серин – гистидин.
• Какова возможная структура начальных фрагментов и-РНК и двухцепочной ДНК?
• С какой последовательности аминокислот начинается белок, если он закодирован такой последовательностью нуклеотидов: ЦЦЦАТГГЦИГГТ.

Кремний и электроника

Если сказать, что в XX век электроника развивалась бурно, значит, ничего не сказать. Скорее её развитие напоминало извержение вулкана.

Чем определилось столь стремительное развитие этой отрасли промышленности? Ведь менее 50 лет назад обычная мобильная связь и обычный персональный компьютер существовали только в фантастических рассказах.

Научные знания и изобретательность инженеров конструкторов и технологов создали это чудо, которым мы сегодня пользуемся. Создание модели атома и квантовая механика определили выделение в отдельный класс полупроводниковых материалов, и началась эпоха создания твердотельных электронных приборов. Эта область промышленности сейчас называется: микроэлектроника.

Основными химическими элементами для создания изделий микроэлектроники являются германий и кремний. На начальном этапе – это кристаллические слитки диаметром от 30 до 200 мм, которые разрезаются на пластины, толщина которых бывает различной, но в основном толщина полупроводниковой пластины – 300 – 350 микрон. Рабочая поверхность пластины полируется до 14 класса чистоты, чтобы убрать все механические нарушения кристаллической решётки.

Кремний, по сравнению с германием, является идеальным материалом для микроэлектронного производства благодаря большому проценту его содержания в земной коре и уникальным технологическим свойствам. На этом материале легко создается диэлектрический слой двуокиси кремния путем обычного термического окисления. Толщина диэлектрика обычно находится в пределах 0, 3 – 1, 5 микрона, но такого слоя достаточно для защиты кремния от диффузии примесей и хорошей диэлектрической изоляции p – n переходов.

«p – n переход» — это основной элемент для создания микроэлектронных изделий. Это просто созданные в теле кристалла кремния области с различным типом проводимости. По сути, изготовление p – n перехода является модной сейчас нанотехнологией, разработанной инженерами во второй половине XX века и сейчас она находиться на пике своего развития. Области разного типа проводимости в кремнии формируются в основном методом диффузии таких химических элементов, как бор и фосфор (мышьяк). Количество примеси в легируемых областях строго дозируется, чтобы обеспечить заданные электрические параметры элементов микросхемы. При помощи p – n переходов на одном кремниевом кристалле микросхемы могут быть созданы диоды, транзисторы, резисторы и конденсаторы. Таким образом, на очень маленькой площади можно создавать любые электронные функциональные блоки. Возможность миниатюризации электронных компонентов оборудования с использованием кремниевой технологии, позволила нам сейчас быть владельцами ПК, мобильных телефонов и плоских телевизоров.

Плотность упаковки топологических элементов кремниевой микросхемы зависит от технологической возможности создания минимального размера и рациональной компоновки элементов на площади кристалла. Но не только миниатюризация играет главную роль в нашем стремлении уменьшить размеры топологических элементов, но и быстродействие изделия электронной техники. И размеры элемента как плоскостные, так и залегание p – n переходов по глубине играют в этом вопросе определяющую роль.

Сейчас в производстве кремниевых микросхем активно используются субмикронные размеры при формировании p – n переходов и многоуровневая металлическая разводка, толщиной в несколько микрон. Всё это трудно себе представить, но это то, что мы сейчас используем в обыденной жизни, ведь освоенный в промышленности топологический размер в 0, 5 микрона – это 500 нанометров.

Чипы будущего. Чем заменят кремний в микросхемах?

Электроника, благодаря минимизации размеров транзисторов и диодов, созданных непосредственно в кристалле кремния, достигла больших возможностей. Теперь на ней базируются различные производства, которым нужно автоматизировать свои процессы.

Сейчас кремний является основным материалом высоко интегрированных микросхем. Хотя этот материал не идеальный — он имеет сложности обработки, очистки и хранения, а также проблематичен при последующей эксплуатации. Все эти проблемы подталкивают ученых искать ему альтернативу. Вместе с экспертами компании «ЗУМ-СМД» рассмотрим потенциальные виды полупроводников.

Виды полупроводников

Кремний — это не самый первый в массовом производстве полупроводник, до него электронику создавали на основе германия, электроны которого были более подвижны. Сейчас этот материал также используется, преимущественно в высокочастотной электронике. Но из-за лучшей теплопроводности и меньшей стоимости технологии кремний взял верх.

Однако самая высокая теплопроводность у алмаза, который является, практически изолятором. Но при легировании (добавлении примесей) он ведет себя как полупроводник, который превосходит кремний:

• энергоэффективностью — в 50 раз;
• частотными характеристиками — в 1200 раз.

Сейчас передовых технологий легирования еще не разработано, также, как и обработки. Напомним, что это самый механически прочный материал.

Упомянутые полупроводники: кремний и германий относятся к группе одноэлементных, также, как и алмаз — уголь, химическая формула С. Такую же формулу имеет графен — полупроводник из которого сейчас изготавливают сверхчувствительные микропроцессоры. Он также может посоперничать с кремнием, но технологии обработки требуют глубокого изучения. Из одноэлементных полупроводников можно упомянуть селен, из которого, в свое время, делали выпрямители.

Известны такие типы полупроводников:

• двухэлементные соединения — арсенид галлия (GaAs), сульфид цинка (ZnS), сульфид олова (SnS);
• оксиды (цинка, никеля, меди, кобальта, железа, европия), двуокись меди;
• слоистые кристаллы — диодид свинца, селенид галлия и дисульфид молибдена;
• органические — фуллерен, графен и нанотрубки из него;
• магнитные — сульфид европия, селенид европия и пр.

Теплопроводность — важный параметр современной электроники

В линейке теплопроводности кремний опережает арсенид галия, который широко используется в высокочастотной микроэлектронике. У арсенида галия она даже ниже, чем у германия. Вот почему при всех достоинствах он не может быть перспективнее кремния. К нему близок по параметру теплоотдачи нитрид галия, технология его обработки развивается.

Лучшей теплопроводностью, чем кремний обладают некоторые его соединения, например, алмазоподобное вещество — карбид кремния (SiC). Он имеет такие свойства, как повышенная:

• химическая стойкость — обладает сильными химическими связями;
• температурная устойчивость;
• радиационная стойкость;
• механическая прочность;
• плотность;
• устойчивость к большой плотности тока.

Кроме этого, карбид кремния обладает высоким напряжением пробоя. Этот материал, как полупроводник изучался давно, ещё в 1907 году Х. Раундом и Олегом Лосевым в 1923–1940 годах. Их исследования привели к важным открытиям, возможно и будущее у этого материала тоже есть.

Современная промышленность позиционирует продукцию с качественным теплоотводом. Многие топологии реализованы не только на основе кремния, но и на материалах с большей теплопроводностью. Если ученым удастся «обуздать» обработку материала с высокими параметрами теплоотдачи, то в будущем кремний заменят другими аналогами.